基于營(yíng)運(yùn)需求的14 500 TEU集裝箱船快速性多目標(biāo)優(yōu)化

陳曉瑩, 袁紅良, 嚴(yán)孝欽

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

2017年7月，由滬東中華造船(集團(tuán))有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“滬東中華造船”)為中遠(yuǎn)海運(yùn)集裝箱船運(yùn)輸有限公司設(shè)計(jì)建造的14 500 TEU集裝箱船(見(jiàn)圖1)成功交付。該船既是目前滬東中華造船獨(dú)立設(shè)計(jì)建造的最大箱位數(shù)的集裝箱船，也是首艘在設(shè)計(jì)之前引入快速性多目標(biāo)優(yōu)化理念的船舶。

該船于2012年完成船型初步設(shè)計(jì)，模型試驗(yàn)在德國(guó)HSVA水池進(jìn)行?；谠O(shè)計(jì)吃水和設(shè)計(jì)航速的快速性表現(xiàn)，該船被HSVA評(píng)定為其水池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中同類(lèi)型船快速性表現(xiàn)最好的船型。但是在2012—2014年，受市場(chǎng)運(yùn)價(jià)低迷和運(yùn)力過(guò)剩等因素影響，船舶所有人對(duì)新船型快速性的要求發(fā)生了改變,不僅關(guān)注船舶在單個(gè)營(yíng)運(yùn)工況點(diǎn)的快速性表現(xiàn)，而且關(guān)注其在低速、淺吃水工況下的快速性表現(xiàn)。

圖1 14 500 TEU集裝箱船

通過(guò)對(duì)船舶所有人建議的方案和船廠(chǎng)儲(chǔ)備的方案進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，船舶所有人要求在原方案的基礎(chǔ)上使設(shè)計(jì)載重量減少2 000 t，主機(jī)功率下降4%，在18 kn航速下的螺旋槳收到功率下降10%(見(jiàn)表1)。這意味著原線(xiàn)型方案不僅要在低速段得到進(jìn)一步優(yōu)化，還要在高速段保持原有的快速性，線(xiàn)型優(yōu)化的難度大大增加，屬于多目標(biāo)優(yōu)化。

表1 船舶所有人建議的方案與船廠(chǎng)儲(chǔ)備的方案對(duì)比

滬東中華造船作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始獨(dú)立設(shè)計(jì)建造大型集裝箱船的船廠(chǎng)，在集裝箱船線(xiàn)型設(shè)計(jì)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)基于快速性多目標(biāo)優(yōu)化的14 500 TEU集裝箱船線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行梳理，為同類(lèi)船型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

該線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)分為5個(gè)步驟,依次為：基于經(jīng)驗(yàn)的多目標(biāo)線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì);基于艏部參數(shù)化變形的線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì);基于節(jié)能裝置研究的快速性?xún)?yōu)化;基于設(shè)計(jì)槳葉數(shù)研究的快速性?xún)?yōu)化;基于最佳縱傾的快速性?xún)?yōu)化。

1 基于經(jīng)驗(yàn)的多目標(biāo)線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的原始船體線(xiàn)型優(yōu)化雖然是在設(shè)計(jì)航速和設(shè)計(jì)吃水下的單設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行的，但考慮到原始線(xiàn)型已得到多次優(yōu)化且被HSVA認(rèn)為是其數(shù)據(jù)庫(kù)中非常好的船型，因此確定線(xiàn)型優(yōu)化區(qū)域在艏部，以確保推進(jìn)效率不變、在高航速(v=22.5 kn)狀態(tài)下阻力性能不明顯變差、在低航速(v=18.0 kn)狀態(tài)下阻力性能明顯變好為優(yōu)化目標(biāo)。首先對(duì)原始線(xiàn)型進(jìn)行球艏優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化線(xiàn)型的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)計(jì)算結(jié)果與原線(xiàn)型的CFD計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

從圖2～圖5中可看出，初步優(yōu)化的線(xiàn)型相比原始線(xiàn)型在設(shè)計(jì)航速下變化不大，但在v=18.0 kn時(shí)有明顯的改善。

雖然船舶所有人沒(méi)有對(duì)淺吃水提出明確的要求，但為評(píng)估該線(xiàn)型在淺吃水狀態(tài)下的水動(dòng)力性能，對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行CFD評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖2 v=18.0 kn、T=14 m波切圖

圖3 v=22.5 kn、T=14 m波切圖

圖4 v=18.0 kn、T=14 m波形圖(上為原型；下為改型)

圖5 v=22.5 kn、T=14 m波形圖(上為原型；下為改型)

圖6v=18.0 kn、T=12 m波型圖(上為原型；下為改型)

圖7 v=23.0 kn、T=12 m波型圖(上為原型；下為改型)

從圖6和圖7中可看出，初步優(yōu)化的線(xiàn)型相比原始線(xiàn)型在淺吃水(T=12 m)狀態(tài)下有明顯改善。

2 基于艏部參數(shù)化變形的線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)

將基于經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化得到的線(xiàn)型作為初步線(xiàn)型(ORI)，利用CAESES軟件的參數(shù)化變形功能改變球艏的剖面特征和相鄰區(qū)域設(shè)計(jì)水線(xiàn)進(jìn)流角，由此求得優(yōu)化線(xiàn)型(OPT)。

2.1 球艏ST20站橫剖面優(yōu)化

首先對(duì)球艏ST20站處的橫剖面進(jìn)行優(yōu)化，改善其在設(shè)計(jì)狀態(tài)(v=22.5 kn、T=14 m)下的興波性能。優(yōu)化的第一步是利用CAESES的參數(shù)化變形功能改變ST19站到球艏最前端的橫向?qū)挾?。變形設(shè)置在ST19站到球艏最前端高度為0～15 m的區(qū)域;最大變形縱向在ST20站位置，垂向在7 m高度處；前、后、上、下的變形平滑過(guò)渡。設(shè)置變形參數(shù)并進(jìn)行CFD搜索計(jì)算。

球艏橫剖面優(yōu)化見(jiàn)表2。從表2及相應(yīng)的波形圖和波高圖中可看出，ST19站到球艏最前端的區(qū)域增大或減小都沒(méi)有改善船舶的興波性能，保持原有尺寸時(shí)的興波阻力最佳。

2.2 艏部ST15～ST19站橫剖面優(yōu)化

對(duì)艏部ST15～ST19站水線(xiàn)附近的橫剖面進(jìn)行優(yōu)化，改善船舶在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的興波阻力。原方案的水線(xiàn)和ST15～ST19站區(qū)域內(nèi)的水線(xiàn)較為瘦削，過(guò)渡到平行中體的曲率變化較快，因此考慮改變?cè)O(shè)計(jì)水線(xiàn)附近ST15～ST19站區(qū)域內(nèi)的橫向?qū)挾?。變形設(shè)置在ST15站與ST19站之間，高度為0～20 m區(qū)域內(nèi)；最大變形縱向在ST17站位置，垂向在7 m高度處，前、后、上、下的變形平滑過(guò)渡。

通過(guò)軟件進(jìn)行搜索計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，ST15～ST19站區(qū)域內(nèi)橫向?qū)挾鹊淖兓瘜?duì)興波阻力產(chǎn)生了有效影響，當(dāng)變形達(dá)到EnsembleInvestigation_02_des0010的尺寸時(shí)為最佳。

2.3 球艏高度優(yōu)化

不改變球艏的長(zhǎng)度，改變ST19.5站到球艏最前端區(qū)域的高度，即改變球艏的形心位置,結(jié)果見(jiàn)表2。從表3中可看出，改變球艏高度對(duì)船舶在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的興波性能并無(wú)有利影響，但球艏下降能改善船舶在低速段的興波性能。

表2 球艏ST20站橫剖面優(yōu)化和艏部ST15～ST19站橫剖面優(yōu)化

3 優(yōu)化方案與原方案的CFD對(duì)比計(jì)算

利用參數(shù)化建模軟件和CFD計(jì)算軟件對(duì)艏部的線(xiàn)型進(jìn)行參數(shù)化建模，以22.5 kn和18.0 kn航速下的有效功率之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)球艏的高度、面積、形心和進(jìn)水角的大小等進(jìn)行分析，確定最終方案。優(yōu)化方案與原方案對(duì)比見(jiàn)圖8～圖11。

4 船模試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述CFD數(shù)值計(jì)算，已基本上確定新船型方案的快速性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,將優(yōu)化之后的線(xiàn)型提交給HSVA進(jìn)行模型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最終的快速性指標(biāo)。

表3 球艏高度優(yōu)化

圖8 T=14 m、v=22.5 kn狀態(tài)下原方案與優(yōu)化方案波形圖對(duì)比

圖9 T=14 m、v=18.0 kn狀態(tài)下原方案與優(yōu)化方案波形圖對(duì)比

a) 原方案

b) 優(yōu)化方案

a) 原方案

b) 優(yōu)化方案

通過(guò)備用槳模型試驗(yàn)驗(yàn)證，新船型方案(船模編號(hào)M2102)與原方案(船模編號(hào)M1001)相比，在整個(gè)航速段的阻力有明顯改善，尤其是低速段的阻力改善十分明顯。試驗(yàn)對(duì)比見(jiàn)圖12～圖15，有效功率對(duì)比見(jiàn)表4，螺旋槳收到功率對(duì)比見(jiàn)表5。從表4中可看出:在設(shè)計(jì)航速下有效功率下降了2.3%，在18.0 kn航速下有效功率下降了10.0%。從波形圖中可看出:高速段的波形變化很小，低速段的波形有明顯的改善。

圖12 原方案高速段模型試驗(yàn)

圖13 原方案低速段模型試驗(yàn)

圖14 新方案高速段模型試驗(yàn)

圖15 新方案低速段模型試驗(yàn)

表4 有效功率對(duì)比

表5 螺旋槳收到功率對(duì)比

5 基于節(jié)能裝置研究的快速性?xún)?yōu)化

由于集裝箱船的艉部較為瘦削，艉部流場(chǎng)比較均勻，通常選用懸掛舵作為節(jié)能裝置。為獲取懸掛舵在該項(xiàng)目中的效果，以某公司的懸掛舵+舵球?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)舵球的最佳長(zhǎng)度和螺旋槳盤(pán)面的最優(yōu)位置(距離艉柱X1=6 500 mm和X2=6 100 mm)進(jìn)行研究，具體模型見(jiàn)圖16和圖17。最終選定方案的節(jié)能效果對(duì)比見(jiàn)表6。從表6中可看出，采用懸掛舵+舵球方案可降低推進(jìn)功率2%左右。

圖16 普通舵

圖17 懸掛舵加舵球

6 基于設(shè)計(jì)槳葉數(shù)研究的快速性?xún)?yōu)化

2014年之前建造的超大型集裝箱船出于空泡性能考慮，普遍采用6葉定距槳(見(jiàn)圖18)。但是，在評(píng)估基于22.5 kn航速要求的主機(jī)輸出功率時(shí)發(fā)現(xiàn)，原船型在23 kn航速下的螺旋槳功率密度為737 kW/m2， 而新線(xiàn)型在22.5 kn航速下的螺旋槳功率密度為668 kW/m2。在與螺旋槳廠(chǎng)商和試驗(yàn)水池的專(zhuān)家充分討論之后，決定采用5葉定距槳(見(jiàn)圖19)。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，新設(shè)計(jì)的5葉槳方案能較好地匹配艉部流場(chǎng)，不僅推進(jìn)效率比6葉槳高，而且空泡性能和脈動(dòng)壓力完全符合要求。

表6 普通舵與懸掛舵+舵球收到功率對(duì)比

圖18 6葉槳方案

圖19 5葉槳方案

6葉槳與5葉槳收到功率對(duì)比見(jiàn)表7。從表7中可看出，采用6葉槳時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)的推進(jìn)效率提高了2%,低速段的推進(jìn)效率提高了約5%。

7 最終方案與原方案快速性對(duì)比

與原方案相比，優(yōu)化方案配合舵和螺旋槳的優(yōu)化，其性能有顯著提升。表8為最終方案與原方案收到功率對(duì)比。從表8中可看出,設(shè)計(jì)點(diǎn)的收到功率降低了近5%，18 kn航速下的收到功率降低了近15%。

表7 6葉槳與5葉槳收到功率對(duì)比

表8 最終方案與原方案收到功率對(duì)比

根據(jù)德國(guó)HSVA水池提供的最終報(bào)告:5葉槳方案的航速預(yù)報(bào)結(jié)果為22.55 kn，達(dá)到了合同指標(biāo)的技術(shù)要求;18 kn航速下的油耗完全滿(mǎn)足船舶所有人的要求。

8 基于最佳縱傾的快速性?xún)?yōu)化

為進(jìn)一步提高船舶的快速性，降低燃油消耗，對(duì)4種常用裝載工況下的不同航速點(diǎn)進(jìn)行縱傾優(yōu)化分析，得到各運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的燃油消耗最低吃水狀態(tài)，供航運(yùn)公司在實(shí)際運(yùn)營(yíng)配載時(shí)參考。圖20～圖23為不同吃水狀態(tài)下收到功率隨縱傾的變化。以設(shè)計(jì)狀態(tài)艏傾2.0 m為例，在船舶所有人的常用航速范圍(16～20 kn)內(nèi)，燃油消耗仍有1%～5%的降低。

圖20 T=15.5 m時(shí)收到功率隨縱傾的變化

圖21 T=14 m時(shí)收到功率隨縱傾的變化

圖22 T=13 m時(shí)收到功率隨縱傾的變化

圖23 T=12 m時(shí)收到功率隨縱傾的變化

9 結(jié) 語(yǔ)

在快速性多目標(biāo)優(yōu)化方面，越來(lái)越多的船舶所有人開(kāi)始將關(guān)注點(diǎn)從某單一工況下的快速性指標(biāo)轉(zhuǎn)向多個(gè)工況下的綜合快速性指標(biāo)。本文所述14 500 TEU集裝箱船的快速性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可為后續(xù)船型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。